DE102018114835A1

DE102018114835A1 - Screw and screw connection

Info

Publication number: DE102018114835A1
Application number: DE102018114835.6A
Authority: DE
Inventors: Kai Bohnstedt; Peter Kuntz
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2019-12-24

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraube (10), umfassend- einen Schraubenkopf (12) und- einen Schraubenschaft (14), der sich von einem schraubenkopfseitigen Schaftanfang bis zu seinem schraubenkopfabgewandten Schaftende erstreckt und ein Außengewinde (16) einer vorgegebenen Gewindelänge (L) trägt,wobei der Schraubenschaft (14) eine schaftendseitig offene, das Außengewinde (16) in axialer Richtung um wenigstens 20% dessen Kerndurchmessers (D) durchsetzende Ausnehmung (18) mit einem eingangsseitigen Durchmesser (d) zwischen 60% und 90% des Kerndurchmessers (D) aufweist.Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch aus, dass die Ausnehmung (18) das Außengewinde (16) in axialer Richtung um höchstens 50% der Gewindelänge (L) durchsetzt.The invention relates to a screw (10), comprising - a screw head (12) and - a screw shaft (14) which extends from a shaft head end on the screw head to its shaft end facing away from the screw head and an external thread (16) of a predetermined thread length (L) The screw shaft (14) has a recess (18) which is open on the shaft side and penetrates the external thread (16) in the axial direction by at least 20% of its core diameter (D) and has an input-side diameter (d) of between 60% and 90% of the core diameter ( The invention is characterized in that the recess (18) passes through the external thread (16) in the axial direction by at most 50% of the thread length (L).

Description

Gebiet der ErfindungField of the Invention

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraube, umfassend

- einen Schraubenkopf und
- einen Schraubenschaft, der sich von einem schraubenkopfseitigen Schaftanfang bis zu seinem schraubenkopfabgewandten Schaftende erstreckt und ein Außengewinde einer vorgegebenen Gewindelänge trägt,

wobei der Schraubenschaft eine schaftendseitig offene, das Außengewinde in axialer Richtung um wenigstens 20% dessen Kerndurchmessers durchsetzende Ausnehmung mit einem eingangsseitigen Durchmesser zwischen 60% und 90% des Kerndurchmessers aufweist.The invention relates to a screw comprising

- a screw head and
a screw shaft which extends from a screw head end of the shaft to its end facing away from the screw head and carries an external thread of a predetermined thread length,

wherein the screw shaft has a recess on the shaft side, the outer thread penetrating in the axial direction by at least 20% of its core diameter, with an input-side diameter between 60% and 90% of the core diameter.

Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Schraubverbindung, umfassend eine derartige Schraube sowie einen Basiskörper mit einem korrespondierenden Innengewinde, in welches die Schraube mit einem vorgegebenen Anzugsmoment, welches eine Spannungsbeaufschlagung der miteinander wechselwirkenden Gewindegänge hervorruft, eingeschraubt und festgezogen ist.The invention further relates to a screw connection, comprising a screw of this type and a base body with a corresponding internal thread, into which the screw is screwed and tightened with a predetermined tightening torque, which causes stress on the mutually interacting threads.

Stand der TechnikState of the art

Derartige Schrauben und Schraubverbindungen sind bekannt aus der DE 10 2012 109 682 A1 .Such screws and screw connections are known from the DE 10 2012 109 682 A1 ,

Schraubverbindungen sind zur Verbindung zweier oder mehrerer Bauteile allgemein bekannt. Sie umfassen stets eine Schraube mit einem Außengewinde sowie einen Basiskörper mit einem korrespondierenden Innengewinde, in welches die Schraube eingeschraubt ist. In der Regel wird eine solche Schraubverbindung benutzt, um ein eine Durchgangsbohrung aufweisendes Fixierteil am Basiskörper zu fixieren. Das Fixierteil, dessen Durchgangsbohrung vom Schraubenschaft durchsetzt wird, wird beim Anziehen der Schraube zwischen dem Schraubenkopf und dem Basiskörper geklemmt.Screw connections are generally known for connecting two or more components. They always include a screw with an external thread and a base body with a corresponding internal thread into which the screw is screwed. As a rule, such a screw connection is used to fix a fixing part having a through hole to the base body. The fixing part, whose through hole is penetrated by the screw shaft, is clamped between the screw head and the base body when the screw is tightened.

Beispielsweise finden derartige Schraubverbindungen Anwendung bei der Fixierung eines Zylinderkopfs als Fixierteil an einem Motorblock als Basiskörper. Aus Gründen der Gewichtseinsparung werden Motorblöcke von modernen Kraftfahrzeugen häufig aus leichtem Aluminium gefertigt. Die zur Fixierung des Zylinderkopfs verwendeten Schrauben sind aus Gründen der damit verbundenen Empfindlichkeit jedoch in der Regel nicht aus Aluminium, sondern typischerweise aus Stahl gefertigt. Bei der Montage werden die Schrauben mit einem vorgegebenen Anzugsmoment angezogen, wobei die aneinander anliegenden Flanken des Außengewindes der Schraube einerseits und des Innengewindes im Motorblock andererseits mit einer entsprechenden mechanischen Spannung beaufschlagt werden. Beim Betrieb des Motors kommt es zu einer starken Aufheizung des Komplexes gegenüber dem Zeitpunkt der Montage. Dies kann insofern problematisch sein, als der Wärmeausdehnungskoeffizient (in Axialrichtung der Schraube) von Aluminium deutlich größer ist als derjenige von Stahl. Das Innengewinde im Motorblock längt sich dabei stärker als das Außengewinde der Schraube. Hierdurch wird die Schraube unter axiale Zugspannung gesetzt. Diese Zugspannung wird jedoch nicht gleichmäßig verteilt über die Windungen des Gewindes abgestützt; vielmehr liegt der Großteil der Zugspannung zwischen dem am Schraubenkopf ansetzenden Schaftanfang und dem schaftendseitigen Gewindeende an. Im Bereich der letzten Windungen des Außengewindes liegt also eine nahezu die gesamte auf der Schraube lastende Zugspannung vereinende Spannungsspitze vor. Diese lokal auf das Innengewinde des Motorblocks wirkende Spannungsspitze kann zu lokaler Rissbildung und daher zur Zerstörung des Motorblocks führen.For example, screw connections of this type are used when fixing a cylinder head as a fixing part on an engine block as a base body. In order to save weight, engine blocks of modern motor vehicles are often made from light aluminum. However, the screws used to fix the cylinder head are typically not made of aluminum, but typically steel, for reasons of sensitivity. During assembly, the screws are tightened to a predetermined tightening torque, with the corresponding flanks of the external thread of the screw on the one hand and the internal thread in the engine block on the other hand being subjected to a corresponding mechanical tension. When the engine is operating, the complex heats up considerably compared to the time of assembly. This can be problematic in that the coefficient of thermal expansion (in the axial direction of the screw) of aluminum is significantly larger than that of steel. The internal thread in the engine block is longer than the external thread of the screw. This places the screw under axial tension. However, this tension is not supported evenly distributed over the turns of the thread; rather, the majority of the tensile stress lies between the beginning of the shaft on the screw head and the end of the thread on the end of the shaft. In the area of the last turns of the external thread there is therefore a voltage peak that unites almost the entire tensile stress on the screw. This voltage spike, which acts locally on the internal thread of the engine block, can lead to local crack formation and therefore to the destruction of the engine block.

Ein ähnlicher Effekt ist auch ohne Temperaturunterschiede bereits dann zu beobachten, wenn der (in Axialrichtung der Schraube) axiale Elastizitätskoeffizient von Schraube und Basiskörper unterschiedlich ist, insbesondere wenn der axiale Elastizitätskoeffizient des Basiskörpers kleiner als derjenige der Schraube ist. Dies ist bei der o.g. Materialpaarung Stahl (Schraube) und Aluminium (Basiskörper) ebenfalls der Fall.
Aus der WO 2000/000750 A1 ist es bekannt, das Außengewinde der Schraube zum Schaftende hin zu variieren, um eine gleichmäßigere Verteilung der Zugspannung über die Gewindeflanken zu erreichen. Die Fertigung derartiger Spezialgewinde ist jedoch mit erheblichen Mehrkosten verbunden.A similar effect can be observed even without temperature differences if the (in the axial direction of the screw) axial coefficient of elasticity of the screw and base body is different, in particular if the axial elasticity coefficient of the base body is smaller than that of the screw. This is also the case with the above material pairing steel (screw) and aluminum (base body).
From the WO 2000/000750 A1 it is known to vary the external thread of the screw towards the end of the shaft in order to achieve a more uniform distribution of the tensile stress over the thread flanks. The production of such special threads is associated with considerable additional costs.

Aus der eingangs genannten, gattungsbildenden Druckschrift sind Schrauben bekannt, die aus Gründen der Gewichtseinsparung einen über nahezu seine gesamte Länge hohlgebohrten Schaft aufweisen. Derartige Schrauben sind jedoch aufgrund ihrer geringen Wandungsdicke zu instabil, um damit hochfeste Schraubverbindungen zu realisieren. Entsprechend schlägt die genannte Druckschrift vor, den Hohlraum des Schraubenschaftes im Fall höherer mechanischer Anforderungen mit einem leichten Material, wie beispielsweise Aluminium oder Kunststoff zu füllen. Derartige mehrkomponentige Schrauben sind jedoch in der Herstellung extrem teuer. Zudem steht zu befürchten, dass sich im Fall starker Temperaturschwankungen, wie sie beispielsweise im Bereich eines Motorblocks betriebsbedingt auftreten, die Füllung aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten aus dem Schraubenschaft löst.Screws are known from the generic document mentioned at the outset which, for reasons of weight saving, have a shank which is hollow over almost their entire length. However, due to their small wall thickness, such screws are too unstable to be able to achieve high-strength screw connections. Accordingly, the cited document suggests filling the cavity of the screw shaft with a light material, such as aluminum or plastic, in the event of higher mechanical requirements. Such multi-component screws are extremely expensive to manufacture. In addition, there is fear that in the event of strong temperature fluctuations, such as occur in the area of an engine block due to operational reasons, the filling due to different Thermal expansion coefficient from the screw shaft.

Aufgabenstellungtask

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einfach zu fertigende, kostengünstige Schrauben zur Realisierung von Schraubverbindungen, insbesondere thermisch beanspruchten Schraubverbindungen unterschiedlicher Materialien, zur Verfügung zu stellen.It is the object of the present invention to provide inexpensive screws that are easy to manufacture for the realization of screw connections, in particular thermally stressed screw connections of different materials.

Darlegung der ErfindungStatement of the invention

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Ausnehmung das Außengewinde in axialer Richtung um höchstens 50% der Gewindelänge durchsetzt.This object is achieved in connection with the features of the preamble of claim 1 in that the recess passes through the external thread in the axial direction by at most 50% of the thread length.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.Preferred embodiments are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung sieht eine gezielte Schwächung des Schraubenschaftes im Bereich des schaftendseitigen Gewindeendes vor. Dies ist der Bereich, der gemäß obiger Erläuterung bei unterschiedlicher Wärmeausdehnung und/oder Elastizität von Innen- und Außengewinde einer besonderen Belastung unterliegt. Die Schwächung der Schraube, insbesondere die Reduzierung ihrer Steifigkeit in diesem Bereich sorgt dafür, dass die Spannungsspitze eher zu einem Verziehen der Schraube im fraglichen Bereich als zur Rissbildung im Basiskörper führt. Verzieht sich die Schraube, führt dies zu einer teilweisen Übergabe der Last auf die benachbarten Windungen. Insgesamt wird also eine Vergleichmäßigung der Lastverteilung über einen größeren Teil der Gewindelänge erreicht. Dies bedeutet den Abbau der schädlichen Spannungsspitzen, sodass keine Rissbildung im Basiskörper mehr zu befürchten ist. Ähnliches gilt für Schraubverbindungen von Materialien mit unterschiedlichen axialen Elastizitätskoeffizienten.The invention provides for a targeted weakening of the screw shaft in the area of the thread end of the shaft end. This is the area which, as explained above, is subject to a particular load in the case of different thermal expansion and / or elasticity of the internal and external threads. The weakening of the screw, in particular the reduction in its rigidity in this area, ensures that the stress peak leads to a warping of the screw in the area in question rather than to the formation of cracks in the base body. If the screw warps, this leads to a partial transfer of the load to the adjacent turns. All in all, the load distribution is evened out over a larger part of the thread length. This means the reduction of the harmful stress peaks so that there is no longer any risk of cracks forming in the base body. The same applies to screw connections of materials with different axial coefficients of elasticity.

Dieser Effekt wird sich zwar auch bei den gattungsgemäßen Schrauben einstellen. Da deren Ausnehmung im Schraubenschaft sich jedoch explizit über eine größere Länge des Schraubenschaftes als die Gewindelänge erstreckt, sind die gattungsgemäßen Schrauben, wie eingangs bereits erwähnt, für die Realisierung hochfester Schraubverbindungen nicht geeignet. Die besondere Wirkung der Erfindung, den Zielkonflikt zwischen einerseits der gezielten Schwächung der Schraube und andererseits dem Erhalt einer hinreichenden Gesamtstärke der Schraube zu überwinden, ist in der speziellen Beschränkung der Schaftschwächung auf die schaftendseitige Hälfte der Gewindelänge zu sehen.This effect will also occur with the generic screws. However, since their recess in the screw shaft extends explicitly over a greater length of the screw shaft than the thread length, the generic screws, as already mentioned at the beginning, are not suitable for realizing high-strength screw connections. The particular effect of the invention of overcoming the conflict of objectives between on the one hand the targeted weakening of the screw and on the other hand the preservation of a sufficient overall strength of the screw can be seen in the special limitation of the shaft weakening to the shaft-side half of the thread length.

Hinsichtlich der Herstellung hat sich die Ausbildung der Ausnehmung im Schraubenschaft als Profilbohrung als besonders günstig erwiesen. Insbesondere bei tieferen Ausnehmungen hat sich diese Fertigungstechnik bewährt.With regard to the production, the formation of the recess in the screw shank as a profile bore has proven to be particularly favorable. This manufacturing technique has proven itself particularly in the case of deeper recesses.

Alternativ und insbesondere günstig bei flacheren Ausnehmungen ist die spanlose Ausbildung der Ausnehmung als ein durch Fließpressen erzeugtes Loch. Die Vermeidung eines zusätzlichen, spanenden Prozesses wirkt sich insbesondere kostenreduzierend aus.As an alternative and in particular in the case of shallower recesses, the non-cutting design of the recess as a hole produced by extrusion is possible. Avoiding an additional machining process has a cost-reducing effect in particular.

Hinsichtlich Form und Dimensionierung hat sich ein weites Spektrum an Variationen innerhalb der eingangs angegebenen Randbedingungen als wirksam erwiesen. Gleichwohl stehen im Hinblick auf eine Maximierung der Effizienz der erfindungsgemäßen Maßnahmen Tiefe und (Eingangs-) Durchmesser der Ausnehmung in einem vorzugsweise zu berücksichtigenden Abhängigkeitsverhältnis zueinander. Insbesondere sollte im Fall einer nur geringen lokalen Schwächung der Schraube aufgrund eines geringen Durchmessers der Ausnehmung eine größere Tiefe der Schwächungszone realisiert werden. Umgekehrt sollte bei geringerer Tiefe der Ausnehmung ein größerer (eingangsseitiger) Durchmesser realisiert werden. So hat es sich als günstig erwiesen, dass in Fällen, in denen der eingangsseitige Durchmesser gering ist, insbesondere in der Nähe des oben genannten Grenzwertes liegt, die Ausnehmung das Außengewinde in axialer Richtung um mindestens 50% dessen Kerndurchmessers durchsetzt. Umgekehrt hat es sich als günstig herausgestellt, dass in Fällen einer nur geringen Tiefe, insbesondere im Bereich des oben genannten Grenzwertes, der eingangsseitige Durchmesser der Ausnehmung wenigstens 70% des Kerndurchmessers beträgt. Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass Studien der Erfinder ergeben haben, dass Ausnehmungsvariationen über den gesamten oben genannten Dimensionierungsbereich zu Verbesserungen der Rissbildungs-Vermeidung im Basiskörper von mindestens 15% führen.With regard to shape and dimensioning, a wide spectrum of variations within the boundary conditions specified at the beginning has proven to be effective. Nevertheless, with a view to maximizing the efficiency of the measures according to the invention, the depth and (entrance) diameter of the recess are in a relationship of dependency that is preferably to be taken into account. In particular, in the case of only a slight local weakening of the screw, a greater depth of the weakening zone should be achieved due to a small diameter of the recess. Conversely, with a smaller depth of the recess, a larger (entry-side) diameter should be realized. It has proven to be advantageous that in cases in which the input-side diameter is small, in particular in the vicinity of the limit value mentioned above, the recess penetrates the external thread in the axial direction by at least 50% of its core diameter. Conversely, it has been found to be favorable that in cases of only a small depth, in particular in the range of the limit value mentioned above, the diameter of the recess on the inlet side is at least 70% of the core diameter. However, it should be expressly pointed out that studies by the inventors have shown that recess variations over the entire dimensioning range mentioned above lead to improvements in the avoidance of cracks in the base body of at least 15%.

Auch hinsichtlich der konkreten Form der Ausnehmung kann ein weites Spektrum an Variationen realisiert werden. In besonders einfachen Fällen hat die Ausnehmung eine zylindrische Form. Solche Ausnehmungen sind kostengünstig zu fertigen. Allerdings können sie den Nachteil einer Kerbwirkung an der Kante des Ausnehmungsbodens beinhalten.A wide range of variations can also be realized with regard to the specific shape of the recess. In particularly simple cases, the recess has a cylindrical shape. Such recesses are inexpensive to manufacture. However, they can have the disadvantage of a notch effect on the edge of the recess bottom.

Als günstiger hat es sich daher erwiesen, wenn der Durchmesser der Ausnehmung zu deren geschlossenem Ende hin monoton abnimmt. Derartige Formen führen zu einer graduellen Abnahme der Schwächung der Schraube, sodass sich an keiner Stelle ein Steifigkeitssprung ergibt, der eine neue Spannungsspitze provozieren könnte.It has therefore proven to be more favorable if the diameter of the recess decreases monotonously towards its closed end. Such shapes lead to a gradual decrease in the weakening of the screw, so that there is no jump in stiffness at any point that could provoke a new stress peak.

Als besonders günstig hat sich eine Form erwiesen, bei der die Ausnehmung eingangsseitig zunächst zylindrisch ausgebildet ist und ihr Durchmesser im Anschluss zu ihrem geschlossenen Ende hin streng monoton abnimmt. Man beachte, dass auch eine solche Form mit bereichsweise konstantem Durchmesser von der Begrifflichkeit einer monotonen (jedoch nicht streng monotonen) Durchmesserabnahme umfasst ist. A shape has proven to be particularly favorable in which the recess is initially cylindrical on the input side and its diameter then decreases strictly monotonously towards its closed end. It should be noted that such a shape with a constant diameter in some areas is also covered by the concept of a monotonous (but not strictly monotonous) decrease in diameter.

An ihrem geschlossenen Ende ist die Ausnehmung bevorzugt kalottenförmig ausgebildet. In den streng monoton verlaufenden Bereichen kann vorgesehen sein, dass der Durchmesser der Ausnehmung zu deren geschlossenem Ende hin paraboloid abnimmt. Alternativ oder (in einem anderen Bereich) zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Durchmesser der Ausnehmung zu deren geschlossenem Ende hin linear abnimmt.At its closed end, the recess is preferably dome-shaped. In the strictly monotonous areas, it can be provided that the diameter of the recess decreases parabolically towards its closed end. Alternatively or (in another area) it can also be provided that the diameter of the recess decreases linearly towards its closed end.

Überlänge zwischen unterschiedlich geformten Ausnehmungsbereichen sind bevorzugt nicht als scharfe Absätze, sondern als Radien im mm-Bereich realisiert.Excess lengths between differently shaped recess areas are preferably not realized as sharp shoulders, but as radii in the mm range.

Wie bereits eingangs erwähnt, sind erfindungsgemäße Schrauben besonders geeignet zur Optimierung im Übrigen gattungsgemäßer Schraubverbindungen, bei denen der Basiskörper einen größeren axialen Wärmeausdehnungskoeffizient und/oder einen kleineren axialen Elastizitätskoeffizienten aufweist als die Schraube.As already mentioned at the outset, screws according to the invention are particularly suitable for optimizing, moreover, generic screw connections in which the base body has a larger axial coefficient of thermal expansion and / or a smaller axial coefficient of elasticity than the screw.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.Further features and advantages of the invention emerge from the following special description and the drawings.

Figurenlistelist of figures

Es zeigen:

1: eine schematisierte Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Schraubverbindung,
2: eine Schraubverbindung nach dem Stand der Technik in zwei unterschiedlichen Temperaturzuständen,
3: die erfindungsgemäße Schraube der Schraubverbindung von 1,
4: eine alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schraube,
5: vier Formvarianten der Ausnehmung im Schaft einer erfindungsgemäßen Schraube sowie
6: drei weitere Formvarianten der Ausnehmung im Schaft einer erfindungsgemäßen Schraube.

Show it:

1 : a schematic sectional representation of a screw connection according to the invention,
2 : a screw connection according to the prior art in two different temperature states,
3 : the screw of the screw connection of 1 .
4 an alternative embodiment of a screw according to the invention,
5 : four shape variants of the recess in the shaft of a screw according to the invention and
6 : three further shape variants of the recess in the shaft of a screw according to the invention.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDetailed description of preferred embodiments

Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.The same reference numerals in the figures indicate the same or analog elements.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Schraubverbindung 100, umfassend eine Schraube 10, die in einen Basiskörper 20 eingeschraubt ist, um ein plattenförmiges Fixierteil 30 am Basiskörper 20 zu fixieren. Die Schraube 10 besteht im Wesentlichen aus einem Schraubenkopf 12 und einem Schraubenschaft 14, der ein Außengewinde 16 trägt. Das Außengewinde 16 erstreckt sich nicht über die gesamte Länge des Schraubenschaftes 14; vielmehr weist der Schraubenschaft 14 schaftanfangsseitig einen gewindefreien Hals 141 auf. Schaftendseitig erstreckt sich das Außengewinde 16 bei der dargestellten Ausführungsform bis zum Schaftende. 1 shows a screw connection according to the invention 100 , comprising a screw 10 that are in a base body 20 is screwed to a plate-shaped fixing part 30 on the base body 20 to fix. The screw 10 consists essentially of a screw head 12 and a screw shaft 14 which is an external thread 16 wearing. The external thread 16 does not extend over the entire length of the screw shaft 14 ; rather, the screw shaft points 14 a thread-free neck at the start of the shaft 141 on. The external thread extends on the shaft end 16 in the illustrated embodiment to the end of the shaft.

Schaftendseitig ist erfindungsgemäß eine Ausnehmung 18 konzentrisch in den Schraubenschaft 14 eingebracht. Auf Form und Dimensionierung der Ausnehmung 18 soll weiter unten noch detaillierter eingegangen werden.According to the invention, there is a recess on the shaft end 18 concentric in the screw shaft 14 brought in. On the shape and dimensioning of the recess 18 will be discussed in more detail below.

Die Schraube 10 ist in ein Innengewinde 22 des Basiskörpers 20 eingeschraubt. Die Kraft, mit der die einzelnen Gewindeflanken des Außengewindes 16 an den korrespondierenden Flanken des Innengewindes 22 anliegen, sind über die dessen im Wesentlichen gleichverteilt. Diese Gleichverteilung, die auch im Fall unterschiedlicher Materialien von Schraube 10 und Basiskörper 20 selbst bei erheblichen Temperaturschwankungen erhalten bleibt, ist das Ergebnis der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Schraube 10, insbesondere die Wirkung der Ausnehmung 18.The screw 10 is in an internal thread 22 of the base body 20 screwed. The force with which the individual thread flanks of the external thread 16 on the corresponding flanks of the internal thread 22 are essentially evenly distributed over its. This equal distribution, which also in the case of different materials from screw 10 and base body 20 is retained even with considerable temperature fluctuations, the result of the screw design according to the invention 10 , especially the effect of the recess 18 ,

Dies lässt sich am einfachsten anhand von 2 erläutern, die eine Schraubverbindung 100 nach dem Stand der Technik in zwei unterschiedlichen Temperaturzuständen zeigt. Die Schraube 10 ist beispielsweise aus Stahl gefertigt. Der Basiskörper 20 ist beispielsweise aus Aluminium, jedenfalls aus einem Material mit höherem axialen Wärmeausdehnungskoeffizient und/oder niedrigerem Elastizitätskoeffizienten als die Schraube 10, gefertigt. 2a zeigt in grober Schematisierung die Schraubverbindung 100 im kalten Montagezustand. Die Flankenbelastung der Gewinde 16, 22 ist im Wesentlichen über die Länge des Außengewindes 16 gleichverteilt. 2b zeigt einen demgegenüber deutlich erhitzten Zustand, in dem sich der Basiskörper 20 zumindest in axialer Richtung deutlich stärker gedehnt hat als die Schraube 10. Entsprechend wird die Schraube 10 verstärkt auf Zug belastet. Dabei unterliegen insbesondere die schaftendseitig letzten Windungen einer besonderen Belastung, wie in 2b durch die Belastungspfeile dargestellt. Diese Lastspitzen werden an den korrespondierenden Flanken des Innengewindes 22 abgestützt, wodurch der Basiskörper 20 hier eine besondere Belastung erfährt, die zu Rissen führen kann.The easiest way to do this is to use 2 explain the screw connection 100 according to the prior art in two different temperature states. The screw 10 is made of steel, for example. The base body 20 is made of aluminum, for example, at least from a material with a higher axial coefficient of thermal expansion and / or a lower coefficient of elasticity than the screw 10 , manufactured. 2a shows the screw connection in a rough schematic 100 in cold assembly condition. The flank load on the thread 16 . 22 is essentially over the length of the external thread 16 evenly distributed. 2 B shows a clearly heated state, in which the base body is 20 stretched significantly more than the screw, at least in the axial direction 10 , The screw accordingly 10 increasingly loaded on train. In particular, the last turns on the shaft side are subject to a special load, as in 2 B represented by the loading arrows. These peak loads are on the corresponding flanks of the internal thread 22 supported, creating the base body 20 experiences a special load here, which can lead to cracks.

Bei der erfindungsgemäßen Schraube 10 von 1, die in 3 isoliert dargestellt ist, ist der Schaft 14 jedoch im schaftendnahen Bereich geschwächt, sodass die Schraube 10 hier in Axialrichtung der thermisch induzierten Zugkraft nachgeben kann. Entsprechend verzieht sich das Außengewinde 16, sodass die Last gleichmäßig über eine größere Anzahl von Gewindeflanken verteilt wird. Die Entstehung von Spannungsspitzen und somit von Rissen im Basiskörper 20 wird hierdurch vermieden.In the screw according to the invention 10 of 1 , in the 3 is shown in isolation, the shaft 14 but weakened in the area near the shaft, so that the screw 10 can yield here in the axial direction of the thermally induced tensile force. The external thread warps accordingly 16 , so that the load is evenly distributed over a larger number of thread flanks. The emergence of stress peaks and thus cracks in the base body 20 is avoided.

3 zeigt die erfindungsgemäße Schraube 10 isoliert zur Verdeutlichung der Dimensionen ihrer einzelnen Elemente. Die Länge des Außengewindes 16 wird mit L bezeichnet. Die Tiefe der Ausnehmung 18, die sich vom Schaftende bis zum Grund der Ausnehmung erstreckt, wird mit T bezeichnet. Eine erfindungsrelevante Dimension ist die Durchsetzungslänge I, d.h. diejenige Länge, über die das Außengewinde 16 von seinem schaftseitigen Ende her von der Ausnehmung 18 durchsetzt wird. Bei der Ausführungsform von 3 ist die Durchsetzungslänge I gleich der Ausnehmungstiefe T. Erfindungsgemäß ist die Durchsetzungslänge I in jedem Fall kleiner als die halbe Gewindelänge, d.h. kleiner als L/2. 3 shows the screw according to the invention 10 isolated to clarify the dimensions of its individual elements. The length of the external thread 16 is denoted by L. The depth of the recess 18 , which extends from the shaft end to the bottom of the recess, is denoted by T. A dimension relevant to the invention is the enforcement length I . d .H. the length over which the external thread 16 from its shaft end from the recess 18 is enforced. In the embodiment of 3 is the enforcement length I equal to the recess depth T , According to the invention, the enforcement length I in any case less than half the thread length, ie less than L / 2.

Bei der Ausführungsform von 4 hingegen erstreckt sich der Schraubenschaft 14 mit einem Fuß 142 über das schaftendseitige Ende des Außengewindes 16 hinaus. Bei einer solchen Ausführungsform ist die Gesamttiefe T der Ausnehmung 18 um die Länge des Schaftfußes 142 größer als die erfindungsrelevante Durchsetzungslänge I.In the embodiment of 4 however, the screw shaft extends 14 with one foot 142 over the shaft-side end of the external thread 16 out. In such an embodiment, the total depth is T the recess 18 around the length of the shaft foot 142 greater than the enforcement length relevant to the invention I ,

Erheblicher Spielraum für den Fachmann besteht in der speziellen Formgebung und sonstigen Dimensionierung der Ausnehmung 18, insbesondere im Hinblick auf die Verhältnisse zwischen dem Kerndurchmesser D des Außengewindes 16, dem Eingangsdurchmesser d der Ausnehmung 18 und der oben erläuterten Durchsetzungslänge I.There is considerable scope for the specialist in the special shape and other dimensions of the recess 18 , especially with regard to the relationships between the core diameter D of the external thread 16 , the input diameter d the recess 18 and the enforcement length discussed above I ,

Bei den in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen setzt sich die Form der Ausnehmung 18 aus einem eingangsseitigen, zylindrischen Teil 181, einem sich anschließenden, paraboloiden Teil 182 und einem den Ausnehmungsgrund bildenden, kalottenförmigen Teil 183 zusammen. Der Ausnehmungsdurchmesser nimmt somit monoton mit der Tiefe der Ausnehmung ab. Dies führt zu einer graduellen Steigerung der Steifigkeit des Schraubenschaftes 14 und insbesondere zu einem stetigen Übergang der Steifigkeit zwischen dem von der Ausnehmung durchsetzten Abschnitt zu dem aus Vollmaterial gefertigten Abschnitt des Schaftes 14. Auf diese Weise werden Lastsprünge zuverlässig vermieden.In the in the 3 and 4 Embodiments shown the shape of the recess 18 from a cylindrical part on the input side 181 , an adjoining, paraboloid part 182 and a dome-shaped part forming the base of the recess 183 together. The recess diameter thus decreases monotonically with the depth of the recess. This leads to a gradual increase in the stiffness of the screw shaft 14 and in particular to a steady transition of the rigidity between the section through which the recess passes and the section of the shaft made of solid material 14 , In this way, load jumps are reliably avoided.

5 zeigt rein beispielhaft vier Varianten der Formgebung der Ausnehmung 18. 5a zeigt eine in der Länge gestauchte Variante der oben im Zusammenhang mit den 3 und 4 erläuterten Formgebung. 5b zeigt eine besonders einfache Formgebung, lediglich bestehend aus einem zylindrischen Teil 181. 5c zeigt eine Ausnehmung 18, bestehend aus einem eingangsseitigen, zylindrischen Teil 181, an den sich ein linearer Teil 184, d.h. ein Teil mit linear abnehmendem Durchmesser, anschließt. 5d schließlich zeigt eine Ausnehmung 18, umfassend einen eingangsseitigen, zylindrischen Teil 181 und zwei sich anschließende, lineare Teile 184 mit unterschiedlichen Durchmessergradienten. Die eher breiten als tiefen Formgebungen von 5 eignen sich insbesondere zur spanlosen Herstellung, insbesondere durch Fließpressen. 5 shows four examples of the shape of the recess purely by way of example 18 , 5a shows a lengthwise compressed version of the above in connection with the 3 and 4 explained shape. 5b shows a particularly simple shape, consisting only of a cylindrical part 181 , 5c shows a recess 18 , consisting of a cylindrical part on the input side 181 to which there is a linear part 184 . d .H. a part with a linearly decreasing diameter. 5d finally shows a recess 18 , comprising an input-side, cylindrical part 181 and two subsequent linear parts 184 with different diameter gradients. The broad rather than deep shapes of 5 are particularly suitable for non-cutting production, especially by extrusion.

Die eher tiefen als breiten Formen von 6 sind hingegen eher zur Herstellung durch Profilbohren geeignet. 6a zeigt eine rein zylindrische Ausnehmungsform, analog 5b. 6b zeigt eine Ausnehmung 18 mit eingangsseitigem, zylindrischem Teil 181 und sich anschließendem, linearem Teil 184, analog 5c. 6c schließlich zeigt eine Ausnehmung 18 mit einem eingangsseitigen, zylindrischen Teil 181, einem sich anschließenden, linearen Teil 184 und einer kalottenförmigen Spitze 183.The deep rather than broad forms of 6 are more suitable for the production by profile drilling. 6a shows a purely cylindrical recess shape, analog 5b , 6b shows a recess 18 with cylindrical part on the input side 181 and subsequent linear part 184 , analogous 5c , 6c finally shows a recess 18 with a cylindrical part on the input side 181 , a subsequent linear part 184 and a dome-shaped tip 183 ,

Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Dies gilt insbesondere für die spezielle Ausgestaltung der Ausnehmungsformen. Anstelle der explizit genannten paraboloiden Formen können auch exponentialfunktionsartige Formen oder allgemein durch Funktionen höherer Ordnung beschreibbare Formen realisiert werden. Der Fachmann wird auch verstehen, dass sämtliche Formangaben nicht streng mathematisch, sondern im Sinne einer praktischen Umsetzbarkeit zu verstehen sind. So werden „zylindrische“ Ausnehmungsformen regelmäßig keine unendlich scharfen Ecken, sondern sanftere Radien aufweisen.Of course, the embodiments discussed in the specific description and shown in the figures represent only illustrative exemplary embodiments of the present invention. In the light of the disclosure herein, the person skilled in the art is provided with a broad spectrum of possible variations. This applies in particular to the special design of the recess shapes. Instead of the explicitly mentioned paraboloid forms, exponential function-like forms or forms that can generally be described by functions of a higher order can also be realized. The person skilled in the art will also understand that all form details are not to be understood strictly mathematically, but rather in terms of practical implementation. For example, “cylindrical” recess shapes will not have infinitely sharp corners, but rather softer radii.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Schraubescrew
1212: Schraubenkopfscrew head
1414: Schraubenschaftscrew shaft
141141: Hals von 14 Neck of 14
142142: Fuß von 14 Foot of 14
1616: Außengewindeexternal thread
1818: Ausnehmungrecess
181 181: zylindrischer Teil von 18 cylindrical part of 18
182182: paraboloider Teil von 18 parabolic part of 18
183183: kalottenartiger Teil von 18 dome-like part of 18
184184: linearer Teil von 18 linear part of 18
2020: Basiskörperbase body
2222: Innengewindeinner thread
3030: Fixierteilfixing
100100: Schraubverbindungscrew
LL: Gewindelängethread length
II: Durchsetzungslängeenforcement length
TT: Ausnehmungstiefedivot
DD: Kerndurchmesser von 16 Core diameter of 16
dd: Eingangsdurchmesser von 18 Input diameter of 18

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102012109682 A1 [0003]
WO 2000/000750 A1 [0006]

Claims

Screw (10), comprising - a screw head (12) and - a screw shaft (14), which extends from a screw head end of the shaft to its end facing away from the screw head and carries an external thread (16) of a predetermined thread length (L), the screw shaft ( 14) a schaftendseitig open, has the external thread (16) in the axial direction by at least 20% the core diameter (D) passes through recess (18) with an input-side diameter (d) between 60% and 90% of the core diameter (D), characterized that the recess (18) passes through the external thread (16) in the axial direction by at most 50% of the thread length (L).

Screw (10) Claim 1 , characterized in that the recess (18) is designed as a profile bore.

Screw (10) Claim 1 , characterized in that the recess (18) is designed as a non-cutting hole produced by extrusion.

Screw (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the recess (18) passes through the external thread (16) in the axial direction by at least 50% of its core diameter (D).

Screw (10) according to one of the Claims 1 to 4 , characterized in that the input-side diameter (d) of the recess (18) is at least 70% of the core diameter (D).

Screw (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the recess (18) has a cylindrical shape.

Screw (10) according to one of the Claims 1 to 6 , characterized in that the diameter of the recess (18) decreases monotonically towards its closed end.

Screw (10) Claim 7 , characterized in that the recess (18) is cylindrical on the input side and its diameter decreases strictly monotonously towards its closed end.

Screw (10) according to one of the Claims 7 to 8th , characterized in that the recess (18) is dome-shaped at its closed end.

Screw (10) according to one of the Claims 7 to 9 , characterized in that the diameter of the recess (18) decreases paraboloidally at least in regions towards its closed end.

Screw (10) according to one of the Claims 7 to 10 , characterized in that the diameter of the recess (18) decreases linearly at least in regions towards its closed end.

Screw connection (100), comprising a screw (10) according to one of the preceding claims and a base body (20) with a corresponding internal thread (22) into which the screw (10) with a predetermined tightening torque, which causes stressing of the mutually interacting threads , is screwed in and tightened, the base body (20) having a greater axial coefficient of thermal expansion and / or a smaller axial coefficient of elasticity than the screw (10).

Screw connection (12) after Claim 12 , characterized in that the recess (18) passes through the external thread (16) in the axial direction by at most 50% of the thread length (L) which is in force engagement.